Kajian Ke Atas Masalah Harmonik Dan Penghapusan Harmonik

KAJIAN KE ATAS MASALAH HARMONIK

DAN PENGHAPUSAN HARMONIK

Mohd Nor Aidi Bin Jamaludin

Sarjana Muda Kejuruteraan Elektrik

MOHD NOR AIDI BIN JAMALUDIN

This report submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of

Bachelor of Electrical Engineering (Industrial Power)

Faculty of Electrical Engineering

UNIVERSITI TEKNIKAL MALAYSIA MELAKA

“I hereby declare that I have read through this report entitle “Kajian Ke atas Masalah

Harmonik dan Penghapusan Harmonik” and found that this it has comply the partial

fulfillment for awarding the degree of Bachelor of Electrical Engineering (Industrial Power)”

Signature

: ………

I declared that this report entitle “Kajian Ke atas Masalah Harmonik dan Penghapusan

Harmonik” is the result of my own research except as cited in the references. The report has

not been accepted for any degree and is not concurrently submitted in candidature of any other

degree.

PENGHARGAAN

Saya ini mengucapkan jutaan terima kasih dan penghargaan kepada penyelia projek saya,

En. Mohd Hendra bin Hairi atas kebaikan, kepercayaan dan idea-idea yang telah beliau curahkan

pada saya sepanjang tempoh saya menyiapkan projek ini. Semangat, kesabaran dan kerjasama

yang telah beliau berikan pada saya telah banyak membantu saya menyiapkan projek dan laporan

ini dalam tempoh yang telah ditetapkan. Saya juga ingin mengucapkan ribuan terima kasih

kepada kedua ibu bapa saya dan juga kepada ahli keluarga saya atas sokongan dan galakan yang

diberikan. Tanpa mereka, saaya mungkin tidak dapat melaksanakan tugas ini.

Saya juga ingin mengucapkan terima kasih kepada panel Projek Sarjana Muda saya, Pn.

Junainah bt Sardi yang telah banyak member kritikan, pandangan dan nasihat dimana ianya telah

banyak membantu saya sepanjang projek ini dijalankan.Akhir sekali, terima kasih kepada semua

kawan-kawan yang secara lansung dan tidak langsung telah membantu saya ketika projek ini

ABSTRAK

Projek ini bertujuan menghasilkan litar pemampas harmonik dengan menggunakan

penapis pasif serta melihat kesan penapis pasif tersebut kepada isyarat yang mengandungi

harmonik. Secara ringkasnya, projek ini boleh dikategorikan kepada dua bahagian di mana

bahagian pertama adalah kajian ke atas punca dan kesan harmonik ke atas sistem elektrik

manakala bahagian kedua adalah mengkaji penggunaan penapis pasif dan mengaplikasikan

penapis tersebut kepada litar perkakasan sebenar. Kajian ke atas penapis juga turut diterangkan

secara ringkas dari segi jenis -jenis dan konsep kerjanya. Di samping itu juga perisian P-spice

digunakan bagi mensimulasi litar skematik projek. Peringkat akhir projek adalah menukarkan

litar skematik kepada litar perkakasan sebenar dengan menggunakan perkakasan yang sesuai

serta membandingkan keputusan ujikaji litar perkakasan sebenar dengan hasil simulasi litar

ABSTRACT

The main objective is to design the harmonic compensation circuit by using passive filter.

Basically, this project can be divided into two parts. The first part is to investigate the harmonic’s

sources and harmonic’s effects to the electric system while the second part is to investigate the

usage of passive filter and the implementation of the filter into a real circuit. The types and

concepts of filters will be explained. Besides that, P-spice simulation software has been used to

simulate all the designed circuit. Finally, the project is implemented the schematic circuit to the

KANDUNGAN

BAB

PERKARA

MUKA SURAT

TAJUK

PENGAKUAN

PENGHARGAAN

i

ABSTRAK

ii

ABSTRACT

iii

KANDUNGAN

iv

SENARAI RAJAH

vi

SENARAI SIMBOL DAN SINGKATAN

vii

SENARAI LAMPIRAN

viii

1

PENGENALAN

1.1

Umum

1

1.2

Objektif

2

1.3

Skop Kajian

2

2

KAJIAN LITERATUR

2.1

Punca-punca Harmonik

3

2.2

Kesan-kesan Harmonik

5

2.2.1 Pengalir

5

2.2.2 Pengubah

6

2.2.3 Pemuat

6

2.2.4 Peralatan Elektronik

6

2.4

Penapis Aktif Tulen

7

2.4.1 Konfigurasi Litar Bagi Penapis Aktif

2.5

Penapis Aktif Talaan Tunggal

( Single Tuned )

9

2.6

Perbandingan Antara Penapis Pasif Dan

Penapis Aktif

13

3

METODOLOGI

3.1

Umum

15

5

PENAPIS HARMONIK

4.1

Pendahuluan

19

4.2

Penapis Larasan Sesiri

19

4.3

Rekabentuk Penapis Harmonik

20

4.3.1 Penapis Larasan Sesiri

20

4

KEPUTUSAN DAN ANALISIS

5.1

Litar Lampu Pendarflour Elektronik Ballast

23

5.1.1 Simulasi Litar Skematik Tanpa

Penapis Pasif

24

5.1.2 Simulasi Litar Skematik Dengan

Penapis Pasif

25

5.2

Litar Sebenar

27

5.2.1 Simulasi Litar Sebenar Tanpa Penapis Pasif 28

5.2.2 Simulasi Litar Sebenar Dengan Penapis Pasif 29

6

PERBINCANGAN, KESIMPULAN DAN CADANGAN

5.1

Perbincangan

30

5.2

Kesimpulan

31

5.3

Cadangan

31

SENARAI RAJAH

RAJAH

PERKARA

MUKA SURAT

2.1

Gambaran Isyarat Harmonik Terhasil

5

2.2

Penapis Aktif Satu Fasa Atau Tiga Fasa Jenis Selari

7

2.3

Penapis aktif Satu Fasa Atau Tiga Fasa Jenis Selari

8

2.4

Sistem Pengagihan

9

2.5

Litar Setara Bagi Pemampasan Harmonik

10

2.6

Plot Asimptot dan Jalur Lulus Bagi Galangan

Penapis Talaan Tunggal

12

3.1

Carta Alir Perjalanan Projek

17

4.1

Konfigurasi Penapis Pasif Talaan Tunggal

19

5.1

Litar Lampu Pendarflour Elektronik Ballast

23

5.2

Litar Penapis Pasif

24

5.3

Isyarat Arus Pada Sumber Masukan

24

5.4

Isyarat Harmonik Arus Pada Sumber Masukan

25

5.5

Litar Skematik Penerus Diod Tetimbang Penuh

Dengan Penapis Pasif

25

5.6

Isyarat Arus Pada Sumber Masukan

26

5.7

Isyarat Harmonik Arus Pada Sumber Masukan

26

5.8

Litar Perkakasan Sebenar

27

5.9

Litar Penapis Pasif

28

5.10

Isyarat Arus Pada Sumber Masukan(Tanpa Penapis)

28

SENARAI SINGKATAN DAN SIMBOL

AU

-

Arus ulang alik

AT

-

Arus terus

SMPS

-

Bekalan kuasa tersuis

THD

-

Jumlah Herotan Harmonik

a

-

Amplitud

n

-

Siri Harmonik

ωn

-

Frekuensi Sudut

Φ

-

Fasa Harmonik

I

-

Arus

R

-

Perintang

V

-

Voltan

L

-

Induktor

C

-

Kapasitor

i

-

Arus Beban

i

,I

-

Arus Harmonik

i

-

Arus Pemampas

k

-

Pemalar Suapbalik

i

-

Arus Sistem

I

-

Arus Penapis

Z

-

Galangan Penapis

Z

-

Galangan Setara Thevenin

ρ

,ρ

-

Kuantiti Kompleks

X

-

Galangan Kapasitans

Q

-

Faktor Kualiti

BAB 1

PENGENALAN

1.1

Umum

Harmonik merupakan arus atau voltan yang mempunyai frekuensi berganda

sebanyak n kali berbanding frekuensi dasar. Sebagai contohnya,jika frekuensi dasar adalah

50Hz maka harmonik siri ke-2 adalah 100Hz, harmonik siri ke-3 adalah 150Hz dan

seterusnya. Peralatan moden pada masa kini dapat mengukur isyarat harmonik sehingga

harmonik siri ke-63. Harmonik yang tersebar dalam sistem elektrik mendedahkan peralatan

elektrik dan pengubah kepada fenomena resonan mekanikal hasil daripada medan magnetik

yang dijana oleh frekuensi harmonik. Kesannya, peralatan elektrik dan pengubah tersebut

akan bergetar serta menghasilkan bunyi dengung bergantung kepada frekuensi harmonik

yang menjanakannya.Julat frekuensi harmonik yang biasa diambilkira dalam sistem

elektrik adalah dari siri harmonik ke-3 sehingga siri harmonik ke-25.

Isyarat harmonik banyak dihasilkan oleh peralatan bekalan kuasa tersuis (SMPS).

SMPS juga dikenali sebagai beban tak linear.Secara ringkasnya beban tak linear dapat

dibahagikan kepada dua kategori iaitu satu fasa dan tiga fasa.

Maka adalah penting bagi kita untuk mengkaji kaedah-kaedah yang sesuai bagi

memampas isyarat harmonik ini.

1.2

Objektif

Seperti yang telah dibincangkan dalam pengenalan, harmonik merupakan suatu

masalah yang serius dalam sistem elektrik. Maka adalah penting bagi kita untuk

mendalami kesan-kesan negatif yang mampu disebabkan oleh harmonik serta apa yang

menyebabkan terhasilnya harmonik. Seterusnya mengkaji kaedah-kaedah yang sesuai bagi

mengatasinya. Maka objektif-objektif yang akan cuba dicapai dalam kajian ini adalah:

1)

Mengkaji dan memahami punca-punca berlakunya harmonik

2)

Mengkaji dan memahami kesan-kesan harmonik terhadap sistem elektrik

3)

Mengkaji kaedah mengatasi masalah harmonik melalui penggunaan penapis pasif

4)

Merekebentuk dan menguji litar skematik yang direka menggunakan lampu

pendarflour elektronik ballast.

1.3

Skop Kajian

Sebelum menjalankan kajian dengan lebih terperinci, beberapa skop kajian perlu

dikenalpasti supaya kajian yang bakal dijalankan sentiasa berada pada landasan yang betul.

Kajian ini hanya akan melibatkan litar satu fasa sahaja serta sistem berkuasa rendah

dimana julat voltannya bernilai 240V ke bawah. Skop yang terakhir adalah merekabentuk

litar penapis pasif yang bersesuaian bagi memampas isyarat harmonik yang terhasil. Oleh

itu, skop kajian dapat diringkaskan seperti berikut:

1)

Litar satu fasa

2)

Sistem berkuasa rendah

BAB 2

KAJIAN LITERATUR

2.1

Punca-Punca Harmonik

Punca utama yang dikenalpasti yang menghasilkan isyarat harmonik adalah beban

tak linear dimana arus yang dihasilkan tidak sefasa dengan gelombang voltan [1]. Arus ini

terhasil kerana kebanyakan peralatan elektronik moden memerlukan bekalan arus terus

(AT) untuk beroperasi. Maka suatu mekanisma diperlukan bagi menukar arus bekalan dari

ulang-alik (AU) kepada bentuk arus terus (AT) dan mekanisma ini dipanggil penerus

(rectifier).

Penukar satu fasa yang biasa digunakan adalah bekalan kuasa tersuis (SMPS).

SMPS banyak ditemui dalam peralatan elektronik seperti komputer peribadi, mesin

pencetak dan televisyen. Manakala penukar tiga fasa yang biasa digunakan adalah motor

kelajuan bolehubah. Ia banyak diaplikasi dalam alatan seperti kipas dan pam bagi tujuan

industri. Namun perlu diingat bahawa penghasilan arus tak linear tidak bergantung kepada

satu fasa atau tiga fasa kerana apa yang menghasilkan arus tidak linear adalah proses

penukaran AU kepada AT. Oleh itu, konsep asas bagaimana proses penukaran AU kepada

AT menghasilkan harmonik adalah sangat penting untuk difahami.

Operasi ini akan menghasilkan arus terus hanya semasa nilai voltan bekalan yang

telah dikuatkan lebih tinggi daripada voltan pemuat. Maka aliran arus yang terhasil

disebabkan bekalan kuasa adalah dalam bentuk dedenyut dan tidak berterusan sepertimana

kitaran voltan.

Selain daripada itu didapati bentuk gelombang arus terus yang dihasilkan oleh

beban tak linear tidak menyerupai bentuk gelombang voltan. Namun satu aspek yang sama

adalah dari segi frekuensi. Dedenyut arus yang dihasilkan oleh beban tak linear boleh

dianggarkan serta mempunyai nilai frekuensi dasar, f

yang sama dengan voltan. Jumlah

nilai dedenyut arus dapat dikira menggunakan teorem Fourier. Ia mempunyai frekuensi

harmonik yang berganda secara integer dengan frekuensi dasar. Setip integer menunjukkan

siri harmonik. Setiap siri harmonik boleh diterangkan sebagai [3]:

a

sin(ωnt + Φ) dengan :

(1)

Dimana: 1) a

= amplitud

2) n = siri harmonik dimana n = 1 ; dasar

3) ωn = 2πnf

4) Φ = fasa harmonik

Rajah 2.1: Gambaran Isyarat Harmonik Terhasil

2.2

Kesan-Kesan Harmonik

Harmonik menyumbang banyak masalah terhadap komponen dan beban yang

terdapat dalam sistem kuasa elektrik. Dua masalah utama yang disebabkan oleh fenomena

harmonik ini adalah kesan panas lampau pada peralatan dan kegagalan peralatan untuk

beroperasi pada tahap yang diinginkan. Berikut akan dijelaskan secara ringkas kesan-kesan

harmonik terhadap peralatan yang terdapat dalam sistem kuasa [6][7].

2.2.1 Pengalir

maksimum pada permukaan sesuatu pengalir dan ini menyebabkan nilai galangan pengalir

meningkat. Maka kehilangan kuasa, I

R akan meningkat.

2.2.2 Pengubah

Selain daripada kesan kulit, pengubah juga mengalami masalah kehilangan kuasa

yang disebabkan oleh fenomena arus pusar. Fenomena arus pusar ini adalah berpunca

daripada medan magnetik arus ulang-alik dan berpusar di sekeliling teras pengubah,

berlawanan arah dengan dengan arah pusaran fluks teras pengubah. Kehilangan arus pusar

adalah I

R maka siri arus harmonik kedua dan ketiga sudah memadai bagi meningkatkan

pemanasan seterusnya mengakibatkan jangka hayat pengubah berkurang.

2.2.3 Pemuat

Nilai galangan bagi pemuat berkadar songsang dengan frekuensi iaitu 1/jωC, maka

nilai galangannya akan berkurang dengan kenaikan frekuensi menyebabkan kapasiti cas

yang mampu disimpan oleh pemuat semakin berkurang. Peningkatan arus melebihi kadar

yang sepatutnya mengakibatkan beban berlebihan pada pemuat.

Selain dari itu harmonik juga berkemungkinan akan menghasilkan kesan resonan

kepada litar. Ini berlaku pada nilai frekuensi yang tertentu dimana galangan pemuat dan

peraruh mempunyai nilai yang sama seterusnya saling membatal antara satu sama lain.

Apabila ini terjadi nilai galangan sebenar litar hanyalah rintangan tulen. Maka nilai

galangan yang wujud semasa resonan lebih rendah daripada julat yang sepatutnya

seterusnya peningkatan arus dalam litar secara mendadak akan terjadi. Resonan akan

menyebabkan kerosakan yang serius kepada bahagian-bahagian dalam sistem khususnya

kepada pemuat.

2.2.4 Peralatan Elektronik

tembakan. Maka kesilapan tempoh operasi akan berlaku jika puncak bekalan voltan untuk

memastikan kapasitor berfungsi pada tahap maksimum. Jika bentuk gelombang bekalan

berkurang disebabkan oleh herotan harmonik, maka bekaln kuasa tidak akan beroperasi

pada keadaan normal walaupun nilai voltan rms adalah normal.

2.4

Penapis Aktif Tulen

Penapis aktif yang tulen boleh diklasifikasikan kepada dua iaitu penapis aktif jenis

selari dan penpis aktif jenis sesiri bergantung kepada konfigurasi sambungan litar. Namun

penapis aktif jenis selari lebih banyak digunakan oleh kerana rekabentuknya yang ringkas

berbanding penapis aktif jenis sesiri dalam memampas isyarat harmonik.

2.4.1 Konfigurasi Litar Bagi Penapis Aktif Jenis Selari Dan Sesiri

Rajah 2.2: Penapis Aktif Satu Fasa Atau Tiga Fasa Jenis Selari

Rajah 2.2 menunjukkan konfigurasi sistem penapis aktif jenis selari bagi sistem

saatu fasa atau tiga fasa untuk tujuan memampas isyarat arus harmonik yang disebabkan

oleh sistem penerus diod satu fasa atau tiga fasa dengan beban kapasitif. Sistem konfigurasi

ini merupakan salah satu daripada sistem konfigurasi yang paling asas [6]. Dalam

kebanyakan kes, beban AT dianggap sebagai motor AU yang dipicu oleh penukar PWM

jenis sumber voltan. Penapis aktif akan disambung secara selari dengan beban yang

menjana isyarat harmonik manakala peraruh, L

yang disambung pada bahagian AU

keadaan yang stabil. Penapis ini akan dikawal berdasarkan konsep suap-hadapan seperti

yang dinyatakan dibawah:

1)

Litar pengawal akan mengesan arus beban, i

2)

Isyarat arus harmonik, i

akan diasingkan daripada arus beban yang dikesan

melalui nilai purata proses isyarat digital

3)

Penapis aktif akan menjana arus pemampas, i

( = -i

) daripada sumber voltan,

V

. Dimana i

akan saling membatal arus harmonik dalam sistem, i

Rajah 2.3: Penapis aktif Satu Fasa Atau Tiga Fasa Jenis Selari

Rajah 2.3 menunjukkan konfigurasi sistem penapis aktif jenis sesiri bagi sistem satu

fasa atau tiga fasa bagi memampas isyarat voltan harmonik yang disebabkan oleh sistem

penerus diod satu fasa atau tiga fasa dengan beban kapasitif AT. Penapis ini akan

disambung secara sesiri dengan sumber voltan melalui pengubah satu fasa atau tiga fasa.

Tidak seperti penapis aktif jenis selari, penapis aktif jenis sesiri ini dikawal menggunakan

konsep suapbalik seperti yang dinyatakan seperti berikut:

1)

Litar pengawal akan mengesan sumber arus, i

2)

Arus harmonik, i

akan diasingkan daripada arus sumber melalui nilai purata

proses isyarat digital

3)

Penapis aktif aktif akan menghasilkan voltan pemampas, V

( = -Ki

) pada

bahagian primer transformer. Sumber arus harmonik, i

akan berkurang apabila

2.5

Penapis Aktif Talaan Tunggal ( Single Tuned )

Rajah 2.4 menunjukkan penapis pasif ST di dalam suatu sistem pengagihan manakala

Rajah 2.5 menunjukkan litar yang setara bagi sistem pengagihan tersebut [5]. Galangan

penapis berada dalam keadaan selari dengan litar setara Thevenin bagi sistem. Arus

harmonik yang mengalir melalui galangan Z

akan berpecah ke penapis dan galangan

sistem pengagihan tersebut.

Rajah 2.5: Litar Setara Bagi Pemampasan Harmonik

I

= I

+ I

(2)

Di mana: I

= arus harmonik

I

= arus yang melalui sistem

I

= arus yang melalui penapis

Voltan harmonik yang merentangi galangan penapis, Z

mesti sama dengan voltan

harmonik yang merentangi galangan bagi litar setara Thevenin,Z

I

Z

= I

Z

(3)

I

= [ Z

/ (Z

+ Z

) ] I

= ρf I

(4)

I

= [ Z

/ (Z

+ Z

) ] I

= ρs I

(5)

-2.6°. Ini menunjukkan bahawa jumlah galangan bagi sistem memainkan peranan yang

penting dalam proses penapisan harmonik. Bagi galangan sistem yang infiniti, proses

pemampasan dapat dilakukan dengan sempurna dimana kesemua arus harmonik akan

dialirkan melalaui penapis. Namun sebaliknya bagi sistem yang mempunyai nilai galangan

rendah, kebanyakan arus harmonik masih lagi mengalir ke dalam sistem yang ingin

dilindungi kerana hanya sebahagian kecil arus harmonik yang akan dipampas oleh penapis.

Bagi kes tanpa penapis pula, kesemua arus harmonik akan mengalir ke dalam sistem.

Bagi penapis talaan tunggal, galangan reaktif kapasitans dan induktans mesti sama

pada sesuatu frekuensi talaan

Z = R + jωL + 1 / (jωC) = R

(6)

Dimana ωn adalah frekuensi talaan dalam unit radian.Maka

ωn = 1 / √ (L/C)

(7)

Jika X

merupakan galangan bagi kapasitans atau galangan bagi penapis,maka

X

= ωnL = 1 / (ωnC) = √ (L/C)

(8)

Faktor kualiti galangan talaan, Q dinyatakan sebagai

Q = X

/ R = √ (L/C) / R

(9)

Faktor kualiti menentukan tahap ketepatan talaan.Manakala sempadan lebar jalur lulus

ditentukan oleh

│Zf│= √ 2 R

(10)

δ = ( ω – ωn ) / ωn

(11)

Pengurangan kedua-dua nilai tersebut akan mengurangkan nilai jumlah galangan bagi

penapis pada frekuensi resonans. Asimptot dinyatakan seperti berikut:

│Xo│ = ± 2 Xo │δ│

(12)

Pada rajah 2.6, lengkuk A mewakili R = 5Ω dan Xo = 500Ω, Q = 100, manakala

lengkuk B mewakili R = 10Ω dan Xo = 500Ω, Q = 50. Didapati kedua-dua lengkuk A dan

B mempunyai asimptot yang sama.

Rajah 2.6: Plot Asimptot dan Jalur Lulus Bagi Galangan Penapis Talaan Tunggal

V

/X

merupakan kuasa reaktif bagi keluaran pemuat. Jika kewujudan penapis diambil kira

dalam pengiraan, maka

S

= V

/ ( X

– X

)

S

= V

/ [( X

/n

) – X

]